GC-8600 型气相色谱仪安装与调试

郭红霞，韩 艳，杨 昆，刘子哲

（盘锦地震台，辽宁 盘锦 124010）

0 引言

气体观测是盘锦地震台水化分析重要手段之一，特别是氢气异常成为盘锦台地震短临预报的标志性判定指标。如在1999 年11 月29 日岫岩—偏岭MS5.4 级地震前，氢气观测数据在震前出现明显异常变化，为此次地震成功预报提供了较好的参考价值。地震监测预报实践表明，He、H2和CO2具有较好的短期与短临映震能力[1-3]。盘锦地震台此前用于气体观测的仪器是SQ-206 型气相色谱仪，北京分析仪器厂于1995 年9 月生产，1996 年启用观测，观测资料连续、可靠。2018 年1 月10 日SQ-206 型气相色谱仪出现整机故障，无法修复。为了不影响地震监测，又能进一步提高水气观测资料质量，增强气体动态观测在地震分析中的作用，经辽宁省地震局批复，启用GC-8600 型气相色谱仪进行气体观测。GC-8600 型气相色谱仪是新型高性能智能化实验室仪器，其性能稳定可靠、测试数据精度高。

1 气相色谱观测背景

盘一井是盘锦地震台主要地震观测井，位于辽河断陷盆地的中南部。井深955.08 m，观测水层为上第三系管陶组含水层，地下水类型为承压水[4]。1994 年1 月开始进行井水中N2、Ar、CH4和CO2等溶解气体地震观测，并取得一定的震例。观测至今使用仪器为SQ-206 型气相色谱仪（图1），观测过程中使用O2作为载气，以5A 分子筛作固定相来测定Ar、N2、CH4和H2等溶解气，用硅胶作固定相来测定CO2[5]。

图1 SQ-206 型气相色谱仪Fig.1 SQ-206 type gas chromatograph

2 GC-8600 型气相色谱仪的安装

由于2018 年1 月10 日SQ-206 型气相色谱仪出现故障，为了继续进行地震监测，同时又要减少人为测量、计算的误差、保证气体观测的连续性、观测资料的再利用性，实现气体观测谱图自动记录、测量、标注、计算、谱图及观测结果的保存等智能化，便于工作人员分析和处理数据，盘锦台于2018 年3 月21 日更换了新气相色谱仪，使用GC-8600 型气相色谱仪进行安装测试（图2）。

图2 GC-8600 型气相色谱仪Fig.2 GC－8600 type gas chromatograph

2.1 GC-8600 型气相色谱仪简介

GC-8600 型气相色谱仪是北京北分天普仪器技术有限公司2018 年3 月生产的新型气相色谱仪。该仪器是一种多用途、高性能智能化的台式通用型实验室仪器。仪器采用微机控制、按键输入、大屏幕液晶显示、中文界面，具有可靠性好、操作简单、电路集成度高、可长时间运行等优点。GC-8600 型气相色谱仪安装两个金属填充柱，用5A 分子筛作填充物，测定He、H2、O2、N2和CH4；用GDX-502 作填充物，测定CO2。仪器的信号输出连接色谱工作站。

2.2 色谱信号采集单元

色谱信号采集单元实现仪器信号输出，它将色谱仪输出的电压信号转变为电脑能够接受的离散数字信号（称之为采样信号），起着电脑与色谱仪之间的桥梁作用。它通过RS-232 口与计算机连接，再由色谱工作站完成谱图的识别、峰值量取、结果计算及数据报告产出等工作。

2.3 色谱工作站

色谱工作站与色谱仪相配套，是处理色谱仪信号数据的电脑系统，它接收和处理由色谱信号采集单元传送来的色谱采样信号数据，利用电脑程序实现色谱定量计算，并能实现联合计算、成批打印、结果汇总、连贯操作、自动保存、谱图管理、数据库存储，提高日常分析工作效率。最后产出的图形和数据报告通过打印机打印出来，形成连续的纸介质数据[5]（图3）。

图3 观测记录系统流程图Fig.3 Flow diagram of system for measuring record

3 GC-8600 型气相色谱仪的调试

3.1 调试仪器

与SQ-206 型气相色谱仪有所不同，GC-8600 型气相色谱仪选择热丝的温度为100℃，即当TCD 温度达到100℃时仪器工作状态才稳定。调试前先连接载气（用N2作载气），然后检测仪器的气路，当气路正常后再检测仪器填充柱流速、TCD 温度、柱箱温度、进样器温度、桥流，当上述指标达到下列参数设定时（表1），仪器可以正常观测。

表1 仪器工作参数

3.2 工作站调试与观测数据产出

工作站是观测数据采集与分析处理的平台，观测前调整好工作站的各个参数，有利于每张色谱图的清晰度和美观，更有利于观测数据的对比与分析。信号采集单元与GC-8600 型气相色谱仪和电脑连接，根据样品实际出峰情况调整工作站谱图处理、定量组分、选项等相应的参数，使之适应观测需要。如CO2分析时间设为4 min，满屏量程设为600 mV，He、H2、O2、N2和CH4等组分分析时间设为9 min，满屏量程设为260 mV，谱图生成后的效果较清晰，便于各峰的识别和对比。经过初步调试，确定仪器与工作站中各项参数，得到观测结果（图4-5）。

图4 CO2标准样色谱图Fig.4 Standard chromatogram of CO2

图5 He、H2、N2、CH4标准样色谱图Fig.5 Standard chromatogram of He，H2，N2and CH4

4 实验观测中遇到的问题与改进方法

4.1 载气的选用

仪器初安装使用高纯N2作载气，由于N2的热导系数与O2和CO2相近，样品峰会根据O2和CO2含量的不同，出现各种不规则峰（如：倒峰、N 峰、M 峰），并且O2与Ar 分离不开，影响Ar 出峰，从而影响分析结果；而CO2的峰也会根据含量的不同而影响出峰，最终影响分析结果。

改进方法：改用Ar 气作载气

由于Ar 的热导系数与其他组分相差较大，不会影响其他组分出峰。O2能与其他组分完全分离，且不影响其他组分出峰，使分析结果更准确。

4.2 标准气配制

标准气作为观测标准源，用于对比观测，体现溶解气各组分的相对变化量。实验初期所用标准气各组分的百分含量分别为：Ar：1.27%、N2：69.5%、CH4：12.2%、CO2：16.8%、H2：0.096%、He：0.094%，其中N2作为平衡气，其含量相对较多。

选用Ar 气作载气后，出现两个问题：（1）标准样中的Ar 检测不到，总体百分含量达不到《地震水文地球化学观测技术规范》中的要求；（2）样品样中观测出的O2无法计算（此标准气组分中未配置O2）。

改进方法：重新配制标准气。

为了解决这两个问题，同时兼顾标准气的配置要求（标准气各组分的含量尽量接近待测样品各组分的含量），确保分析微量气体时数据不失真，因此标准气各组分需要重新配置。新标准气各组分的百分含量分别为O2：0.60%、N2：48.7%、CH4：37.3%、CO2：13.2%、H2：0.097%、He：0.094%，其中N2作为平衡气。

4.3 进样器与进样量选择

选择不同量值、不同材质的进样器进行实验，总结发现塑料进样器比玻璃进样器密封性、润滑性好。使用1.0 ml 进样量的待测样品的平行样偏差比2.5 ml 进样量的小。

改进方法，放弃使用原来气体观测的2.5 ml玻璃进样器，选用1.0 ml 塑料进样器用于以后的气体观测。

4.4 5A 柱老化问题

实验中所用的5A 分子筛柱在仪器出厂时已经检测好，柱长4 m，直径为3 mm，60～80目，老化温度为300 ℃。按照仪器使用说明及仪器厂家安装专家提示，色谱柱在工作60 天左右，需要加温老化。由于5A 分子筛很容易吸水[6]，长时间吸附溶解气，会降低其活性。通过活化也可以除去固定相表面的污染物或固定相表面不稳定的流失碎屑，提高色谱柱的分离效果。

老化方法是接通载气，保证系统不漏气。在仪器控制面板上将柱箱温度由60℃调至180℃，加温2 小时。

初次老化后，发现N2和CH4两组分分离不开，基线也不平移（图6）。此问题出现的原因是柱箱老化要用N2作载气，而我们日常工作用Ar 气作载气。此问题的解决方法是将色谱柱从仪器上拆下，用马沸炉老化，保持炉温300℃，老化时间2 小时。

经过第二次老化，N2和CH4两组分已分离开（图7），但出峰时间较初安装时缩短（图8）。如果这根色谱柱分离效果不理想，会很快老化，影响观测质量。因此厂家重新更换色谱柱。

图6 180 ℃老化后的5A 柱分离效果Fig.6 Separation effect of 5A column after agingat 180℃

图7 300 ℃老化后的5A 柱分离效果Fig.7 Separation effect of 5A column after aging at 300 ℃

图8 初安装时5A 柱分离效果Fig.8 Separation effect of 5A column at initial installation

5 调试后仪器运行情况

经过调试与改进，GC-8600 型气相色谱仪使用Ar 气作载气，监测地下水中He、H2、O2、N2、CH4和CO2等溶解气。谱图分离效果较理想，谱图美观，易识别，5A 柱各组分峰分离的时间总和在9 分钟左右，CO2峰分离的时间约3.5 分钟，峰型辨识度高，谱图量取与计算准确（图9-10），分离出的溶解气含量较稳定（表2）。6 月30 日正式投入观测，观测数据报送中国地震局数据库。

图9 调试后5A 色谱柱分离效果（He、H2、O2、N2、CH4样品结果图）Fig.9 Effect of 5A column separation after commissioning（He、H2、O2、N2、CH4sample results）

图10 调试后GDX-502 色谱柱分离效果（CO2样品结果图）Fig.10 Effect of GDX-502 column separation after commissioning（CO2sample result map）

表2 GC-8600 型气相色谱仪测定结果表

6 结论与存在问题

经过调试后，GC-8600 型气相色谱仪已适合盘锦地震台观测环境及观测要求，谱图峰型完整，回基线效果好。峰值的量取及计算无误差，测值准确性大大提高，日测值变化稳定（表2）。每日观测数据自动入库，谱图的打印、查找及保存方便。GC-8600 型气相色谱仪器初步实现盘锦地震台水气观测从模拟到半自动化转型。

GC-8600 型气相色谱仪对He、H2和O2等微量气体的捕捉，将更有利于地震的监测预报。通过一段时间实验与调试，GC-8600 型气相色谱仪已正式投入观测，但有些问题需要在下一步的工作中重点解决：一是观测规范问题，由于GC-8600 型气相色谱仪是新型气相观测仪，用于地震观测的单位，目前仅盘锦地震台一家，全国更无此观测仪的观测标准，因此下一步的工作重点，要确定盘锦台GC-8600 型气相色谱仪的观测规范，以便于日常观测与数据分析；同时也为地震系统即将使用GC-8600 型气相色谱仪的用户提供一定的基础参考资料；二是数据库的自动录入与输出问题，在下一步工作中将进上步研究，使之能更好的与分析预报软件衔接，更有利于气体数据的分析和利用。